是德科技为您的应用评测示波器带

1、序言带宽是大多数工程师选择示波器时首先考虑的技术指标。本应用指南将提供一些宝贵的诀窍，帮助您选择出带宽适合的示波器并在数字和模拟应用中使用。首先，需要定义示波器的带宽。目录序言2示波器带宽定义3数字应用需要的带宽4数字时钟测量结果比较7模拟应用需要的带宽9总结10术语表1103 | 是德科技 | 为您的应用评测示波器带宽 应用指南示波器带宽定义如图 1 所示，所有示波器都会在较高频率时出现低通频率响应衰减。大多数带宽技术指标在 1 GHz 及以下的示波器通常会出现响应，并在 -3 dB 频率的三分之一处缓慢下降特征。如图 2 所示，带宽技术指标大于 1 GHz 的示波器通常拥有最大平坦频率响应

2、。这类响应通常在 -3 dB 频率附近显示出具有更下降特征、更为平坦的带内响应。示波器的频率响应各有其优缺点。具有最大平坦度响应的示波器衰减带内信号的数量少于具有响应的示波器，这表明前者能频率 够更精确地测量带内信号。具有响应的示波器衰减带外信号图 1：示波器频率响应的数量少于具有最大平坦度响应的示波器，这表明在相同的带宽技术指标下，前者拥有更快的上升时间。有时，将带外信号衰减到更高的程度有助于消除会造成采样混叠的高频率分量，从而达到 Nyquist 标准（fS 2 x fMAX）。如欲进一步了解 Nyquist 的采样定理，请参见本文结尾处的是德科技应用指南评测示波器采样率与采样保真度的关系

3、。无论示波器具有响应、最大平坦度响应或介于二者之间的响应，输入信号衰减 3 dB 所在的最低频率称为示波器的带宽。使用正弦波信号发生器，在扫描频率上测试示波器的带宽和频率响应。信号 -3 dB 频率处衰减约为 -30% 幅度误差。所以当信号的主要频率接近示波器的带宽时，很难对信号进行非常精确的测量。频率 与示波器的带宽技术指标有极大关系的还有示波器的上升时间技术指标。示波器具有 型响应时，按照 10% 至 90% 标准，其上升时间大约为 0.35/fBW。对于具有最大平坦度响应的示波器，其上升时间技术指标的范围通常在 0.4/fBW 左右，取决于频率下图 2：示波器最大平坦度频率响应降特征的程

4、度。切记，示波器的上升时间并不是示波器可以精确测量的最快边沿速度。假定输入信号具有理论上无限快的上升时间（0 ps），示波器的上升时间是示波器可能产生的最快边沿速度。虽然这个理论上的技术指标是不可测量，这是因为脉冲发生器实际上不能生成无限快的边沿，但可以通过输入边沿速度比示波器上升时间技术指标 到 5 倍的脉冲信号，以测量示波器的上升时间。衰减衰减04 | 是德科技 | 为您的应用评测示波器带宽 应用指南数字应用需要的带宽根据以往经验，示波器带宽应比被测系统的最快数字时钟速率至少快 5 倍。如果示波器满足这一标准，则其能够捕捉高达 5 次的谐波，并实现最小的信号衰减。这个信号分量对于确定数字信

5、号的总体波形非常重要。但是如果您需要对高速边沿进行精确测量，那么此一次方程式不会考虑快速上升沿和下降沿中嵌入的实际最高频分量。若要确定所需的示波器带宽，有一种更精确的方法，即确定数字信号中出现的最高频率，而不是最大时钟速率。最高频率将由设计中的最快边沿速度决定。所以要做的第一件事就是确定最快信号的上升时间和下降时间。通常可以从设计所用器件的公开技术指标中获得这一信息。您可以使用一个简单的公式来计算最大的“实际”频率分量。Howard W. Johnson 博士已经针对此撰写了一本书High-speed Digital Design A Handbook of Black1。他将这个频率分量称为

6、 拐点 频率 (fknee)。所有快速边沿都有无穷多的频率分量。然而，在快速边沿的频谱图中有一个曲折点（或“拐点”），此处高于 fknee 的频率分量对于确定信号的波形影响不大了。1. Howard W. Johnson 博士，High-speed Digital Design A Handbook ofBlack霍尔，1993 年。第 2 步：计算 fkneefknee = 0.5 / RT (10% - 90%)fknee = 0.4 / RT (20% - 80%)第 1 步：确定最快的边沿速度实际经验fBW 5 x fclk05 | 是德科技 | 为您的应用评测示波器带宽 应用指南数字

7、应用需要的带宽（续）对于上升时间按照 10% 至 90% 准则计算的信号，fknee 等于 0.5除以信号的上升时间。对于上升时间按照 20% 至 80% 准则计算的信号（这在当前许多器件技术指标中十分常见），fknee 等于 0.4除以信号的上升时间。不要将这些上升时间与示波器技术指标中的上升时间相。现在的是实际的信号边沿速度。第三步是根据在测量上升时间和下降时间时希望达到的精度，确定测量信号所需要的示波器带宽。表 1 列出了决定示波器（具有频率响应或最大平坦度频率响应）测量精度的多个乘积系数。请记住，大多数带宽技术指标为 1 GHz 及以下的示波器通常具有型响应，而大多数带宽高于 1 GH

8、z 的示波器具有最大平坦度型响应。要求的精度响应最大平坦度响应20%fBW = 1.0 x fkneefBW = 1.0 x fknee10%fBW = 1.3 x fkneefBW = 1.2 x fknee3%fBW = 1.9 x fkneefBW = 1.4 x fknee表 1：根据希望的示波器频率响应精度和类型，计算示波器带宽时选择不同的乘积系数第 3 步：计算示波器带宽06 | 是德科技 | 为您的应用评测示波器带宽 应用指南数字应用需要的带宽（续）现在看一下这个简单实例：如果信号具有近似 500 ps 的上升 / 下降时间（基于 10% 至 90%标准），那么信号中的最大实际频

9、率分量（fknee）将大约等于 1 GHz。如果在对信号进行实际的上升时间和下降时间测量时，您能够容忍最多 20% 的计时误差，那么可以使用 1 GHz 带宽示波器用于数字测量应用。但是如果需要 3% 左右的计时精度，则最好使用2 GHz 带宽的示波器。现在，用不同带宽的示波器来测量特征与本例相似的数字时钟信号。20% 计时精度：示波器带宽 = 1.0 x 1 GHz = 1.0 GHz3% 计时精度：示波器带宽 = 1.9 x 1 GHz =1.9 GHzfknee = (0.5/500ps) = 1 GHz通过近似频率响应测量 500 ps 上升时间（10-90%），确定示波器的最小必需带

10、宽07 | 是德科技 | 为您的应用评测示波器带宽 应用指南数字时钟测量结果比较图 3 显示了使用 100 MHz 带宽示波器对边沿速度（10% 至90%）为 500 ps 的 100 MHz 数字时钟信号进量获得的波形，示波器仅允许该时钟信号的 100 MHz 基本波结果。形通过，从而将时钟信号显示为近似正弦波。对于许多采用 8 位MCU 且时钟速率在 10 MHz 至 20 MHz 之间的设计，使用 100MHz 示波器进量就足以满足需要；但要测量 100 MHz 时钟信号，100 MHz 带宽示波器就为力了。500 MHz 带宽示波器能够捕获 5 次谐波，因而成为首选推荐的解决方案（如图

11、 4 所示）。但是当测量上升时间时，看到示波器测得的结果为大约 800 ps。在这种情况下，示波器无法非常精确地测量此信号的上升时间。示波器实际上测量的是接近于自身上升时间（700 ps）的目标，而不是输入信号的上升时间（500 ps 左右）。如果在这个数字测量应用中计时测量非常图 3：使用 100 MHz 带宽示波器捕获 100 MHz 时钟信号重要的话，需要使用更高带宽的示波器。图 4：使用 500 MHz 带宽示波器捕获 100 MHz 时钟信号08 | 是德科技 | 为您的应用评测示波器带宽 应用指南数字时钟测量结果比较（续）借助 1 GHz 带宽示波器，可以获得更精确的信号图形（如图

12、 5 所示）。当测量上升时间时，看到示波器测得的结果大约为 600 ps。这个测量为提供大约 20% 的测量精度，是一种备受欢迎的测量解决方案，特别适合紧张的状况。但是这种测量也未必能够涵盖全部的应用范畴。如果想要以超过 3% 的精度和 500 ps 的边沿速度对信号进量，确实需要使用2 GHz 及以上带宽的示波器（通过之前的示例确定了这一数值）。如图 6 所示，2-GHz 带宽的示波器能够更精确地显示这个时钟信号，同时非常准确地测量上升时间（约 520 ps）。Keysight In ViX 系列和 In um 系列示波器的一大优势是具备带宽可升级性。图 5：使用 1 GHz 带宽示波器捕获

13、 100 MHz 时钟信号图 6：使用 2 GHz 带宽示波器捕获 100 MHz 时钟信号09 | 是德科技 | 为您的应用评测示波器带宽 应用指南模拟应用需要的带宽几年前，大部分示波器厂商都建议您选择带宽比最大信号频率至少高 3 倍的示波器。虽然这个“3X”倍数不适用于数字应用，但是对模拟应用（例如调制射频）来说还是适合的。要了解这个-1.7 db 1 GHz3:1 的倍数从何而来，让频率响应。来看一下 1 GHz 带宽示波器的实际图 7 显示了在 Keysight 1 GHz 带宽示波器上测得的扫频响应结果（20 MHz 至 2 GHz）。，在 1 GHz 处的输入结果衰减了大约 1.7

14、 dB，正好在 -3 dB 限制范围内（示波器定义带宽）。要想对模拟信号进行精确测量，您仍需要使用频段一直比较平坦、具有极小衰减的示波器。在示波器的 1 GHz 带宽中，大约有三分之一的部分几乎没有衰减（0 dB）。但是，并非所有示波器均此类响应。-0 db 300 MHz图 7：使用 Keysight MSO7104B 1-GHz 带宽示波器进行扫描频率响应测试图 8 显示了使用其他厂商的 1.5 GHz 带宽示波器执行扫描频率响应测试。这个示例是典型的非平坦频率响应。它的响应特征既不-2.6 db 1 GHz属于型，也不属于最大平坦度型。该响应的图像看起来“高低不平”且呈现多个峰值，会对模

15、拟信号或数字信号带来严重的波形失真。可惜的是，在示波器的带宽技术指标（3 dB 衰减频率）中没有提到其他频率上的衰减或放大。信号在示波器带宽的五分之一处衰减了大约 1 dB（10%）。因此在这种情况下，采用 3X 经验法则并不可取。在示波器时，最好选择规范的示波器厂商并要特别注意示波器频率响应的相对平坦度。-1.0 db 300 MHz图 8：使用非是德科技生产的 1.5-GHz 带宽示波器进行扫描频率响应测试10 | 是德科技 | 为您的应用评测示波器带宽 应用指南总结对于数字应用，您应当选择带宽比设计中的最快时钟速率至少高 5 倍的示波器。但是，如果您需要对信号进行精确的边沿速度测量，则必

16、须先确定信号中的最大实际频率。对于模拟应用，应当选择带宽比设计中的最高模拟频率至少高 3倍的示波器。但这个建议仅适用于在较低频段中具有相对平坦的频率响应的示波器。是德科技示波器拥有完备的性能，使您无需担心这一点。另外，您在针对现有应用选择示波器型号时也应当考虑今后的其他应用需求。如果您现在的比较灵活，不妨多投资一点，从而为将来节省开支。但如果您今后需要更高带宽，大部分是德科技示波器的带宽都是可以升级的。产品如欲了解、最全面的应用和产品信息，nd/scopes请的产品：11 | 是德科技 | 为您的应用评测示波器带宽 应用指南术语表一种低通频率响应，在 -3 dB 频率（带宽）的 1/3 处呈现

17、缓慢下降特征。带宽技术指标为 1 GHz 或更低的示波器呈现近似响应。频率响应低于 -3 dB（带宽）频率的频率分量。带内最大的“实际”频率（fknee），可以确定数字脉冲的形状；如果已知输入信号的近似上升时间（通常在器件技术指标数据手册中提供），可以算出这个频率。拐点频率一种低通频率响应，在低于 -3 dB 频率时相对平坦，而在接近 -3 dB 频率（带宽）时会急剧下降。带宽技术指标大于 1 GHz 的示波器通常会呈现最大平坦度响应。最大平坦度响应Nyquist 采样定理对于具有最大频率 fMAX 和有限带宽（频段受限）的信号，等间隔的采样频率 fS 必须要比最大频率 fMAX 高出两倍以上

18、，才能以独特的方式重建信号并且不会发生混叠。输入信号正弦波衰减 3 dB（-30% 幅度误差）时的最低频率。示波器带宽示波器上升时间假定输入信号具有无限快的上升时间，示波器可能产生的最快边沿速度。对于具有近似频率响应的示波器，其上升时间可以根据 0.35/fBW 计算。对于具有最大平坦度频率响应的示波器，其上升时间通常在 0.4/fBW 左右。高于 -3 dB（带宽）频率的频率分量。带外扫描频率响应在用户定义的较低频率至较高频率之间，使用信号发生器对输出正弦波的频率进行反复“扫描”，并测试仪器或器件的频率响应。12 | 是德科技 | 为您的应用评测示波器带宽 应用指南myKeysight如欲获

19、得是德科技的产品、应用和服务信息, 请与是德科技联系。如欲获得完的产品列表,nd/mykeysight个性化视图为您提供最适合自己的信息 !请 nd/contactus是德科技户服务话:真:件 、局域网扩展仪器 (LXI) 将以太网和 Web 网络的强大优势引入测试系统中。 是德是德科技 (中)望 3 号是德科技大话: 86 010 64396888真: 86 010 64390156: 100102科技是 LXI的创始成员。3 年保修是德科技卓越的产品可靠性和广泛的 3 年保修服务完美结合，从另一途径帮助您实现业务目标 : 增强测量信心、降低拥有成本、增强操作方便性。是德科技 ()高新南部 116 号话: 86 28 83108888真: 86 28 85330931: 610041是德科技是德科技保证方案nd/ArancePlans5 年的周密保护以及持续的巨大投入 , 可确保您的仪器符合规范要求 ,器道 169 号 25 话: 852 31977777真: 852 25069233上上 1350 号通广 19 话: 86 21 26102888真: 86 21